JPWO2010007780A1 - 遠心ポンプ用羽根車及び遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

遠心ポンプ用羽根車１１は、内部流路３５が形成された羽根車本体、及び出口３４の位置が前縁となりかつ、外周縁の所定位置が後縁となるように羽根車本体に設けられた一枚の遠心羽根３７、を備える。遠心羽根３７によって区画される外部流路３６の、遠心羽根３７の後縁から周方向に２７０°の角度範囲における面積と、羽根車本体の外周縁によって囲まれる羽根車本体の全体の面積との比が０．３未満となるように、遠心羽根３７が設計されている。

Description

ここに開示する技術は、例えば汚水等の搬送に好適な遠心ポンプ用の羽根車及びそれを備えた遠心ポンプに関する。

従来より、汚水等の搬送には遠心ポンプが用いられている。遠心ポンプは、主要な構成要素として、羽根車とケーシングとを備えている。羽根車のうち、夾雑物等の固形物を含んだ汚水等に対しても詰まりが生じにくい羽根車として、内部に螺旋状の流路が形成されたノンクロッグ型の羽根車が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された遠心ポンプの羽根車は、下面に形成された入口から上方に向かって延びる内部流路と、遠心羽根によって区画されることにより外周面に沿って周回すると共に、内部流路に連続する外部流路とを有している。この遠心ポンプでは、通過粒径（流路を通過することができる球の最大直径）がポンプの口径比１００％に設定されている。

特開２００５−３６７７８号公報

こうした汚水用のポンプには、小流量域で高揚程のポンプ特性が要求されることが多い。そうしたポンプ特性を満足させる上で、羽根車の外径を大きくすることが有効な手立ての一つである。ところが羽根車の外径を大きくすることによって、ポンプの所要動力は大きくなってしまう。そこで、本願発明者らは、羽根車の外径を単に大きくするのではなく、羽根車の諸元を変更して揚程曲線（吐出量と全揚程との関係を示す曲線）の傾きを急峻にし、それによって所要動力を変えることなく、羽根車の外径を大きくすることに着目した。

そのための方策として、本願発明者らは、羽根車の出口幅を狭くすることを考えた。そうすることによって吐出流量が絞られるようになって揚程曲線の傾きを急峻にすることが実現し得る。

しかしながら羽根車の出口幅を狭くすることは、通過粒径を小さくすることになる。従って、通過粒径を所定値、例えばポンプ口径比１００％とすることが維持できなくなるという新たな不都合が生じることが判明した。

ここに開示する技術は、螺旋状の内部流路と揚程に寄与する外部流路とを有する羽根車を備えた遠心ポンプにおいて、通過粒径を所定値に維持しつつも、小流量域で高揚程化する上で有効である。

本願発明者らは、羽根車の横断面において外部流路の占める割合を小さくすることを考えた。このことは、その外部流路内に存在して羽根車から吐出される流体の量が比較的少ないことに相当する。このため、この羽根車は、同一外径という条件下で、外部流路の占める割合が相対的に大きい羽根車と比較して、吐出流量が絞られることになる。一方、出口幅（回転軸方向の高さに相当する）を狭くしないため、通過粒径は所定値に維持し得る。

例示的遠心ポンプ用羽根車は、一端面に開口する入口と周面に開口する出口とを繋ぐように回転軸回りに周回しながら当該回転軸方向に延びる螺旋状の内部流路が形成された羽根車本体、及び、前記出口の位置が前縁となりかつ、前記羽根車本体の外周縁における所定位置が後縁となるように前記羽根車本体に設けられた一枚の遠心羽根を備えかつ、通過粒径が所定値に設定された遠心ポンプ用の羽根車である。

前記遠心羽根は、前記回転軸を中心とした周方向に２７０°以上の角度範囲に亘って延びて形成されており、当該遠心羽根によって前記羽根車本体の周面から凹陥して区画される外部流路は、前記出口に連続すると共に、前記羽根車本体の周面を周回しており、前記遠心羽根は、前記外部流路の回転軸方向の中央高さ位置での横断面において、前記遠心羽根の後縁から周方向に２７０°の角度範囲における前記外部流路の面積と、前記羽根車本体の外周縁によって囲まれる前記羽根車本体の全体面積との比、つまり、
面積比＝（外部流路の面積）／（羽根車本体の全体面積）
が、０．３未満となるように設計されている。

この構成の羽根車は、通過粒径を所定値に維持しつつも、小流量域で高揚程化することが実現する。

図１は、水中ポンプの縦断面図である。 図２は、羽根車の斜視図である。 図３は、羽根車の横断面図（図５のIII−III線断面図）である。 図４は、羽根車の縦断面図（図３のIV−IV線断面図）である。 図５は、羽根車の縦断面図（図３のＶ−Ｖ線断面図）である。 図６は、実施例に係る水中ポンプの性能曲線図（流量係数−揚程係数）である。 図７は、実施例に係る水中ポンプの性能曲線図（流量係数−動力係数）である。 図８は、実施例に係る水中ポンプの性能曲線図（流量係数−ポンプ効率）である。

例示的羽根車は、一端面に開口する入口と周面に開口する出口とを繋ぐように回転軸回りに周回しながら当該回転軸方向に延びる螺旋状の内部流路が形成された羽根車本体、及び、前記出口の位置が前縁となりかつ、前記羽根車本体の外周縁における所定位置が後縁となるように前記羽根車本体に設けられた一枚の遠心羽根を備えかつ、通過粒径が所定値に設定された遠心ポンプ用の羽根車である。

前記遠心羽根は、前記回転軸を中心とした周方向に２７０°以上の角度範囲に亘って延びて形成されており、当該遠心羽根によって前記羽根車本体の周面から凹陥して区画される外部流路は、前記出口に連続すると共に、前記羽根車本体の周面を周回しており、前記遠心羽根は、前記外部流路の回転軸方向の中央高さ位置での横断面において、前記遠心羽根の後縁から周方向に２７０°の角度範囲における前記外部流路の面積と、前記羽根車本体の外周縁によって囲まれる前記羽根車本体の全体面積との比が、０．３未満となるように設計されている。

この構成によると、所定の横断面において、遠心羽根の後縁から周方向に２７０°の角度範囲における外部流路の面積と、羽根車本体の外周縁によって囲まれる羽根車本体の全体の面積（つまり、外周縁によって囲まれる円の面積）との比、ここでは、外部流路の面積を、羽根車本体の全体面積で割った値（以下、単に面積比ともいう）が、０．３未満となるように、遠心羽根が設計されている。尚、前記の面積比は０よりも大きい。つまり、この羽根車は、その横断面において外部流路の占める割合が比較的小さい。このことは、外部流路内に存在して羽根車から吐出される流体の量が比較的少ないことに相当する。このため、この羽根車は、同一外径でかつ前記面積比が相対的に大きい羽根車と比較して、吐出流量が絞られることになる。このことにより、この構成の羽根車を有する遠心ポンプは、揚程曲線の傾きが急峻になると共に、軸動力が低下する。その結果、従来と同等の所要動力であっても、羽根車本体の外径を大きくすることが可能になって、揚程が高まることになる。つまり、小流量域での高揚程化が実現する。

この構成ではまた、外部流路の横断面積を小さくしており、出口幅を狭くしてはいない。このため通過粒径は所定値に維持することが可能である。従ってこの構成の羽根車は、通過粒径を所定値に維持しつつも、小流量域で高揚程化することが実現する。前記の通過粒径は、ポンプ口径比１００％としてもよい。

例示的遠心ポンプは、前記の遠心ポンプ用羽根車と、前記遠心ポンプ用羽根車を収容するケーシングと、前記遠心ポンプ用羽根車を回転駆動するモータと、を備えている。前述したように、この遠心ポンプは、小流量域での高揚程化が実現する。

以下、羽根車の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１に示すように、例示的ポンプは、汚水処理用の水中ポンプである。この水中ポンプは遠心ポンプ１０からなり、羽根車１１と、羽根車１１を覆うケーシング１２と、羽根車１１を回転させる密閉型の水中モータ１３とを備えている。

水中モータ１３は、ステータ１４及びロータ１５からなるモータ１６と、モータ１６を覆うモータケーシング１７とを備えている。ロータ１５の中心部分には、上下方向に延びる駆動軸１８が設けられている。この駆動軸１８は、上部軸受１９及び下部軸受２０によって回転自在に支持されている。駆動軸１８の下端部は羽根車１１に連結されており、駆動軸１８は、水中モータ１３の回転駆動力を羽根車１１に伝達する。

ケーシング１２は、その内部に、羽根車１１を覆う渦形室２６を有している。渦形室２６は、横断面視で半円状に湾曲した側壁１２ａによって区画されている。この渦形室２６の軸方向に対する幅（図１における上下方向の幅、換言すれば回転軸方向の高さ）は、後述する羽根車１１の出口３４の幅（回転軸方向の高さ）と略同じである。

ケーシング１２の下端には、下方に突出する吸込部２１が一体に形成されている。この吸込部２１には、下方に向かって開口する吸込口２２が形成されている。吸込口２２は、後述する羽根車１１の入口３３に連通している。一方、ケーシング１２の側部には、側方に突出する吐出部２３が一体に形成されている。この吐出部２３は、渦形室２６に連通していると共に、側方に向かって開口する吐出口２４が形成されている。吐出部２３は、この実施形態ではその下流側に向かって流路径が拡大しているが、これに限らず、流路径を一定にしてもよい。吐出部２３における入口（渦形室２６との接続口）の径は、後述する羽根車１１の出口３４の径と略同じである。つまり、吐出部２３は、羽根車１１の内部流路３５と同じ通過粒径に設定されており、このポンプの通過粒径は、ポンプ口径比１００％に設定されている。このポンプでは、吐出部２３の最小口径がポンプ口径に相当する。尚、吐出部２３の通過粒径は、内部流路３５の通過粒径以上であればよい。

図２〜５に示すように、羽根車１１は、上端面及び下端面とその両面の間の周面を含む略円筒形状である。尚、図３におけるクロスハッチは断面を示すものではなく、後述する外部流路３６を示すものである。羽根車１１の下端面には、下向きに開口する入口３３が形成されている一方、その周面には側方に向かって開口する出口３４が形成されている。また、羽根車１１は、その内部に、回転軸回りに周回しながらその軸方向に延びる内部流路３５を有しており、この内部流路３５は、入口３３と出口３４とを互いに繋いでいる。従って、内部流路３５の流路中心は、その位置が軸方向に変化する。図３に示すように、出口３４は、内部流路３５の延長方向に向かって開口している。入口３３及び出口３４を含む内部流路３５は、遠心ポンプ１０よりも上流側の配管径に応じて設定される通過粒径となるように、構成されている。ここでは、所定の通過粒径となるように、内部流路３５の径は比較的大きく設定されている。

羽根車１１の外周面には、径方向の内方に窪んだ外部流路３６が形成されている。この外部流路３６は、回転軸方向に延びる流路ではなく、その流路中心は羽根車１１の回転軸と直交する直交面上に位置している。外部流路３６は、図３に示すように、出口３４において内部流路３５の下流側と連続している。外部流路３６は、羽根車１１の半周以上の長さにわたって周回している。具体的に、外部流路３６の下流端は、出口３４の近傍にまで延びており、これにより外部流路３６は、回転軸を中心とした周方向の２７０°の角度範囲に亘って延びている。尚、外部流路３６の長さは、２７０°以上かつ３６０°未満で、適宜設定すればよい。

この外部流路３６は、羽根３７によって区画されている。この羽根３７は、いわゆる半径流形の羽根（遠心羽根）である。この遠心羽根３７は、外部流路３６内の水を昇圧して、その水を外周側（径方向外側）に吐出する。ここで、遠心羽根３７は、外部流路３６を区画するだけでなく、その内側の面によって内部流路３５を区画することにもなる。遠心羽根３７は、回転軸を中心とした周方向に２７０°以上の角度範囲に亘って延びて形成されている。本実施形態では特に、２７０°の角度範囲に亘って延びて形成されており、これによって、前述したように、外部流路３６が、２７０°の角度範囲に亘って延びることになる。また、遠心羽根３７の出口角は、本実施形態では、比較的小さく設定されている。出口角は、具体的には約１０°である。

遠心羽根３７はさらに、その前縁の位置が径方向の比較的外方の位置に設定されており、これによって、前述した外部流路３６の横断面積が比較的小さくなるようにしている。つまり、外部流路３６の、回転軸方向の中央高さ位置での横断面において、外部流路３６の横断面積（図３のクロスハッチを付した領域の面積）と、羽根車１１の外周縁によって囲まれる羽根車の全体面積（図３における円の面積）との面積比、つまり外部流路３６の面積を、羽根車の全体面積で割った値（面積比）が、０．３未満となるように設定されている。こうして、この羽根車１１においては、外部流路３６の横断面積が比較的小さくされているため、その外部流路３６内に存在する流体の量が少なくなっている。このことにより、この羽根車１１では、吐出流量が絞られることになり、後述するように、揚程曲線の傾きが急峻になると共に、軸動力が低下することになる。尚、前縁の位置を変更する代わりに、外部流路３６を区画構成するための設計関数を適宜変更することによって、その形状を変化させて、前記面積比が０．３未満となるようにしてもよい。

ここで、この羽根車１１において、内部流路３５を区画構成するための設計関数と、外部流路３６を区画構成するための設計関数とは互いに異なっており、これによって、通常であれば、内部流路３５と外部流路３６とは、内部流路３５の出口３４付近において滑らかにつながらない。しかしながら、この実施形態では、遠心羽根３７の端部付近（図３における符号１００が指している付近）にアールを付けており、これによって、内部流路３５と外部流路３６とが滑らかにつながるようにしている。このため、この羽根車１１では、遠心羽根３７の前縁は、明確には現れにくくなっている。尚、図３に示す羽根車１１では、図３において縦に延びる一点鎖線が遠心羽根３７の外側面と交差する位置が、遠心羽根３７の前縁に相当する。

羽根車１１において外部流路３６よりも上側には、全周にわたって側方に突出した第１フランジ部３８が形成されている。また、外部流路３６よりも下側には、同じく全周にわたって側方に突出した第２フランジ部３９が形成されている。第２フランジ部３９は、羽根車１１における、入口３３が形成された下側部分と、出口３４が形成された上側部分とを上下に仕切っている。すなわち、この羽根車１１は、入口３３と出口３４との間が第２フランジ部３９で仕切られたクローズドタイプの羽根車である。ここで、この羽根車１１では、図４等に示すように、第１フランジ部３８と第２フランジ部３９との間隔が、前記出口３４の幅（回転軸方向の高さ）と同じに設定されている。

なお、羽根車１１の上端面には、その中心にボス部３１が設けられ、このボス部３１に、駆動軸１８の先端を挿入するための取付穴３２が形成されている。

前記遠心ポンプ１０は、以下のようにして汚水を吐出する。すなわち、水中モータ１３が羽根車１１を回転させ、羽根車１１は、その下側の入口３３から上方へ向かって汚水を吸い込む。吸い込まれた汚水は、羽根車１１内の内部流路３５を通過し、出口３４を通じて外部流路３６に至る。遠心羽根３７は、外部流路３６に至った汚水を外周側に吐出する。羽根車１１を覆うケーシング１２は、吐出された汚水を受け止める。汚水は渦形室２６内を流れた後に、吐出口２４を通じてポンプ外へと排出される。

次に、具体的に実施した実施例について説明する。図６〜８はそれぞれ、前記面積比を変化させた各羽根車１１を備える遠心ポンプ１０の性能曲線を示している。図６は、流量係数に対する揚程係数、図７は、流量係数に対する動力係数、図８は、流量係数に対するポンプ効率をそれぞれ示している。尚、図６〜８における凡例は共通であり、図６にのみ、凡例を示す。ここで、各羽根車１１は、その外径、出口３４の幅、遠心羽根３７の後縁の位置、及び出口角（１０°）を互いに同じに設定している一方で、遠心羽根３７の前縁の位置を変更することによって、遠心羽根３７の横断面形状を変化させ、それによって、外部流路３６の横断面積、ひいては前記の面積比を変更するようにしている。つまり遠心羽根３７の前縁の位置を、径方向外方に位置させることによって、外部流路３６の横断面積が相対的に小さくなって、面積比が小さくなる一方、遠心羽根３７の前縁の位置を、径方向内方に位置させることによって、外部流路３６の横断面積が相対的に大きくなって、面積比が大きくなる。尚、面積比０．２５２，０．２３０はそれぞれ実施例に相当する。面積比０．３７５は、従来例に相当し、面積比０．２０３は、比較例に相当する。

図６〜８の結果によると、面積比を、０．３７５から、０．２５２，０．２３０及び０．２０３と小さくしていくことによって、揚程曲線の傾きが急峻となる方向に次第に変化すると共に、動力係数も次第に低下していることがわかる。但し、面積比を小さくしすぎると、締切揚程が低下してしまい、ポンプ効率が全体的に低下してしまう（バツ印参照）。このため、この実施例によると、揚程曲線の傾きを急峻にしかつ、動力係数を低下させる上で、面積比は０．３０未満０．２３以上に設定することが好ましいことがわかる。

従って、ここに例示する羽根車１１及び遠心ポンプ１０は、面積比を０．３未満に設定することによって、揚程曲線の傾きが急峻になると共に、軸動力が低下している。このため、従来と同等の所要動力であっても、羽根車１１の外径を大きくすることが可能になり、その分、揚程が高まる。そうして、この遠心ポンプ１０では、小流量域での高揚程化を実現し得る。

また、遠心羽根３７の出口角を比較的小さく設定することもまた、揚程曲線の傾きを急峻にすることに寄与する。このため、ここに例示する羽根車１１及び遠心ポンプ１０は、前述した面積比を比較的小さく設定することと、出口角を比較的小さくする（この例では約１０°）こととが相俟って、揚程曲線の傾きがさらに急峻になり、遠心ポンプ１０における小流量域での高揚程化を、さらに高いレベルで実現し得る。

以上説明したように、ここに開示する技術は、流体を搬送する遠心ポンプについて有用であり、例えば、夾雑物等を含んだ汚水を搬送する汚水処理用ポンプ等について有用である。

１０ 遠心ポンプ
１１ 羽根車（羽根車本体）
１２ ケーシング
１３ 水中モータ（モータ部）
１８ 駆動軸（回転軸）
３４ 出口
３５ 内部流路
３６ 外部流路
３７ 遠心羽根

Claims (4)

1. 一端面に開口する入口と周面に開口する出口とを繋ぐように回転軸回りに周回しながら当該回転軸方向に延びる螺旋状の内部流路が形成された羽根車本体、及び、前記出口の位置が前縁となりかつ、前記羽根車本体の外周縁における所定位置が後縁となるように前記羽根車本体に設けられた一枚の遠心羽根を備えかつ、通過粒径が所定値に設定された遠心ポンプ用の羽根車であって、
   前記遠心羽根は、前記回転軸を中心とした周方向に２７０°以上の角度範囲に亘って延びて形成されており、当該遠心羽根によって前記羽根車本体の周面から凹陥して区画される外部流路は、前記出口に連続すると共に、前記羽根車本体の周面を周回しており、
   前記遠心羽根は、前記外部流路の回転軸方向の中央高さ位置での横断面において、前記遠心羽根の後縁から周方向に２７０°の角度範囲における前記外部流路の面積と、前記羽根車本体の外周縁によって囲まれる前記羽根車本体の全体の面積との比が、０．３未満となるように設計されている遠心ポンプ用羽根車。
2. 請求項１に記載の遠心ポンプ用羽根車において、
   前記通過粒径は、ポンプ口径比１００％である遠心ポンプ用羽根車。
3. 遠心ポンプ用羽根車と、
   前記遠心ポンプ用羽根車を収容するケーシングと、
   前記遠心ポンプ用羽根車を回転駆動するモータと、を備え、
   前記遠心ポンプ用羽根車は、一端面に開口する入口と周面に開口する出口とを繋ぐように回転軸回りに周回しながら当該回転軸方向に延びる螺旋状の内部流路が形成された羽根車本体、及び、前記出口の位置が前縁となりかつ、前記羽根車本体の外周縁における所定位置が後縁となるように前記羽根車本体に設けられた一枚の遠心羽根を有しかつ、通過粒径が所定値に設定されており、
   前記遠心羽根は、前記回転軸を中心とした周方向に２７０°以上の角度範囲に亘って延びて形成されており、当該遠心羽根によって前記羽根車本体の周面から凹陥して区画される外部流路は、前記出口に連続すると共に、前記羽根車本体の周面を周回しており、
   前記遠心羽根は、前記外部流路の回転軸方向の中央高さ位置での横断面において、前記遠心羽根の後縁から周方向に２７０°の角度範囲における前記外部流路の面積と、前記羽根車本体の外周縁によって囲まれる前記羽根車本体の全体の面積との比が、０．３未満となるように設計されている遠心ポンプ。
4. 請求項３に記載の遠心ポンプにおいて、
   前記通過粒径は、ポンプ口径比１００％である遠心ポンプ。

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